摘要
马基雅维利本文在对激光超声无损检测的实验探索和数值模拟等研究方法进行了简要的回顾的基础上，重点建立了脉冲激光超声的二维弹性振子点阵模型（ＭＬＳＭ），将其运用于不同材料中的激光超声研究，包括体材料，有表面缺陷材料和双层材料。 首先，本文将激光作用等效为垂直力源，在各向同性体材料中建立弹性振子点阵模型（ＭｓＬＭ），通过受力分析，推导出多种边界条件下，二维全场节点的弹性振子点阵格式，得到了单层金属材料表面、对心和偏离对心接收的数值模拟波形。其次，建立了表面裂痕金属材料中的ＭＳＬＭ，并对表面、对心和偏离对心接收的激光超声波形进行了对比和分析。讨论了表面接收的不同波成分在裂痕前后波形的各种变化，分析了反射、衍射波形的中的各种模式及其变化规律。并通过掠面纵波是否有双峰等特征去定性的判断裂痕位置。判断出波形中各模式成分，并对比了不同材料中声波的波速和激发效率。最后，利用躯ＬＭ在处理层状材料模型交界面上的独特优势，数值模拟出了铝镍基底涂层材料的声表面波的产生和传播。 基于ＭｓＬＭ的数值模拟结果与其他方法的数值模拟结果及实验结果吻合。由于应用ＭＳＬＭ，结合有限差分的成熟算法，能够比较精细地计算出超声波在弹性介质中的传播过程，且该方法易于处理含有缺
陷材料或多层材料中的边界问题，因此将其应用于激光超声问题研究是很有意义的，且对相关的数值模拟和实验研究具有很好的参考价值。
王永庆的球童关键词：激光超声，弹性振子点阵模型，表面缺陷，双层材料
资助项目：国家自然科学基金资助项目Ｎｏ，６０２０８００４：
江苏省自然科学基金：
教育部高校优秀青年教师奖励计划。
硕士论文激光超声的弹性振子点阵数值模拟
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
抽气机原理
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给予树教学设计
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ－ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ，ｍａｓｓｓｐｒｉｎｇｌａｔｔｉｃｅｍｏｄｅｌ，ｓｕｒｆａｃｅｃｒａｃｋ，ｄｏｕｂｌｅｌａｙｅｒ
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１绪论
１．１激光超声原理和研究现状
当液体、固体或气体受到强的激光（１ａｓｅｒ）束（脉冲的或连续调制的）照射时会产生激波和声波。激光激发的超声波是伴随激光激发激波而后产生的超声波，也有没有激波伴随直接由激光激发的超声波两种。不管属于哪一种，凡遇激光导致的超声叫做激光超声。研究激光激发超声的机理、方法和技术，激光超声在媒质中传播特性，激光超声的接收原理、方法以及激光超声检测技术的应用等的学科称为激光超声学和激光超声技术。它是新发展起来的涉及光学、声学、电学、材料科学、生物学、医学等多学科交叉的学科和技术，有着非常诱人的科学和应用的前景。
１．１．１激光超声不同的分类方式
（１）调制激光超声和脉冲激光超声。前者是一束强度被射频频率的声光或电光调制器调制的强的连续激光激发超声、后者是用单次或重复频率ｆ＝１．几ｋＨｚ的调Ｑ（Ｑ．Ｓｗｉｔｈ）脉冲激光激发超声、光脉冲的持续时间（即半高度的全宽度ＦＷＨＭ）ｔ为微秒（ｔｌＳ＝１０１ｓ）或纳秒（ｎｓ＝１０。９ｓ）量级，以及重复频率为７６ＭＨｚ或８０Ｅ｛ｚ以至更高的锁模（ｍｏｄｅ—ｌｏｃｋｅｄ）或锁模调Ｑ激光激发超短脉冲。激光的子脉冲宽度ｔ为几十皮秒（ｐｓ＝ｌＯ。１２ｓ）或亚皮秒（＜ｌｐｓ：量级。
（２）纳秒或皮秒激光超声。前者激发用光脉冲的ｔ为纳秒量级，后者为皮秒或亚皮秒，这两者激发机制和接收方法以及检测均不相同。
（３）全光激光超声和非全光激光超声。前者是用激光探针法接收，后者用非激光探针发接收。
（４）非接触式和接触式激光超声。前者用光探针、电容、电磁和空气换能器接收。后者用压电换能器（石英。铌酸锂，压电陶瓷及薄膜等）接收。。
（５）直接激发和非直接激发的的激光超声。后者指在样品表面覆盖一层液体或吸收膜，光被液体或膜吸收（有时亦有一部分光透入样品）激发声。
１．１．２激光超声的特点
用脉冲激光激发超声是一种既方便又灵活的方法。
激光激发与压电激发相比是激光超声的特点如下：
（１）激光激发超声是光直接照射样品产生，光与样品之间无须耦合剂，也不必用水浸法做检测，是非接触式的。可消除因耦合剂引起的附加影响。
（２）激光源和激光接收系统可放在远离样品（如已实现的有１．５．５ｍ远）的地方。
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它有远距离遥控激发和接收的特点，能在酸、碱、高温高压、及辐射等恶劣环境下进行检测，具有向工业上在线检测和质量坚控发展的潜力。
（３）可以在非压电体（金属、绝缘体、陶瓷、有机材料等）中直接激发超声，不须借助于压电换能器。
（４）激光激发超声，能一次同时在体样品中激发出纵波、横波、头波、和声表面波（ｓＡｗ）。在板中激发出板波。而在电超声技术中一种换能器只能激发一种波形，不同模式波须用不同换能器。
（５）用宽带接收器作非接触式对心（即在样品激发点的中心垂直正对面称之为ｅｐｉｃｅｎｔｅｒ点）接收激光超声时，可同时接收到纵波和横波。若样品厚度已知，则可由一次实验求出该样品的纵波和横波声速，进而求出弹性模量和泊松比。这是一般电超声方法做不到的。
（６）当激光脉冲的宽度为ｔ时，激发出超声脉冲的脉宽‰与ｔ相近而略宽些，而
‰的加宽程度与材料特性有关。一般调Ｑ脉冲激光器的ｔ为４０ｎｓ（红宝石激光器），８ｎｓ（Ｎｄ：ＹＡＧ激光器）。锁模／调Ｑ激光器子脉冲的ｒ３５ｐｓ和锁模染料激光器１～ｏ．２ｐｓ或ｆｓ（１０。１５ｓ）。所以激发出的声脉冲亦很窄。具有频带宽的特点。而压电换能器却不能达到。因而，激光超声技术检测材料特性的时间和空间分辨率可大大地高于电超声的分辨率。
（７）激光声源十分灵活，声源的形状、大小取决于光学元件、系统和调节。小的为几十微米（ｔｕｎ）大的用扩束实现。有点、盘、线、环及栅状源等等。微小点源或细线源具有很好的局域性，可对电超声法难以实现检测的薄样品或有固定形状（如航空构件）的试样表面实现检测，包括缺陷、声速、声衰减和各向异性特性的检测“１。
１．１．３激光超声的缺点
激光超声的缺点是建立系统的价格比电超声昂贵的多、激发效率比较低，声源性质与激光功率密度有
关，在实行检测时要针对使用全过程的需求调节激光器的工作状态及光学系统，使其在整个实验过程中相对稳定。对强激光要注意安全防护。
１．１．４激光超声近些年的发展和应用前景
近年来，利用激光超声研究材料的特性和参量（特别是弹性性质），己引起国内外学者的广泛兴趣和重视。随着航空航天、微电子工业中各种复合材料、薄膜材料的出现和应用，非常需要对材料的力学、热学、光学性能和微结构进行测试分析。由于短脉冲激光能激发宽带声脉冲，并且可以非接触方式同时激发纵波、横波和表面波等各种波型，因此激光超声技术在对复合材料、薄膜／基底系统进行参数、性能测试中
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可发挥重要作用。可以说这类研究不但具有科学意义，同时还具有重大的潜在应用价值。
最早是Ｗｈｉｔｅ。３和Ａｓｋａｒｙａｎ。１于１９６３年各自独立的提出了用脉冲激光激发声波，前者考虑固体，后者考虑液体。接着Ｒａｍａｓｄｅｎ“１和Ｂｕｎｋｉｎ“１以及Ｓｔｅｇｍａｎ“３观察到强激光在固体中产生的爆炸波（称ＬＳＤ波）和大气中产生的点火和燃烧波（ＬＳＣ波）。
实际上这两者均是激波，由介质破裂引起的，都会随时间和距离增加而衰变为声波。自此以后激光激发应力脉冲（声脉冲）的研究就不断的发展起来，在三种媒质中的激发研究均有很大进展。鉴于本章关心的是对固体的检测应用，故这儿重点简述固体中激光超声的发展简史。
在１９６２、１９６３年，Ｗｈｉｔｅ演示了固体靶由于吸收激光、微波、电子束等辐射脉冲而产生弹性波的实验，也提出了由瞬态表面热化而产生弹性波的一维理论。不久又演示了用红宝石激光器激发，用梳状换能器接收声表面波的实验．追溯起来，这就是激光超声技术的开始。
１９７６年Ｂｏｎｄａｒｅｎｋｏ等“３首先将激光超声技术用于材料实验。用调Ｑ红宝石激光激发，用带宽为５ｋＨｚ至１５０Ｍｔｔｚ，位移灵敏度为ｌＯ。９ｍ的干涉仪检测由两层抛光的不锈钢板钳在一起的人工缺陷。
１９８０年Ｃａｌｄｅｒ等”１用相似的方法（Ｎｄ：ｇｌａｓｓ激光激发）检测来自Ｌ５６ｍｍ的人工圆柱缺陷的散射波。这人工缺陷是制作在２５ｍｍ厚的铝板中心。Ｗｅｌｌｍａｎ等用能量为１Ｊ的红宝石激光器激发，干涉仪检测，分辨出两个直径为２ｍｍ的平行的人工钻孔缺陷。之后Ｈｕｔｃｈｉｎｓ和Ｎｅｄｅｏｕ等”１用Ｎｄ：ＹＡＧ，＜ｏ．８Ｊ和带宽为４０Ｎ＆ｉｚ，灵敏度为ｉｎｍ和具有低频稳定系统的干涉仪进行表面缺陷的检测。Ｍｏｎｃｈａｔｉｎ建成共焦法ｂ利一泊罗（Ｆａｂｒｙ—Ｐｅｒｏｔ简ＦＰ）干涉仪，首次实现了在ｌｍ远处对未抛光的钢板进行激光超声的检测
试验。Ｂｅｕｒｋｏｆｆ等“”采用Ｔ＝６ｎｓ，Ｅｏ＝ｉ０—２１ｕＪ的燃料激光器来激发超声，是使用低能量激光（比以前用的低几个数量级）激发超声的开始。
与激光超声技术应用相平行的研究是激光超声激发机制、模式和方法。１９７９年Ｌｅｄｂｅｔｔｅｒ等最先检测到一次激发同时产生的纵、横波和ＳＡＷ。只是激光的Ｅ＝Ｏ．３－ｉＪ，检测时样品表面有损。Ａｉｎｄｏｗ等“”用Ｅ＝３０叮的激光器，达到同样的结果。后来，在更低的光脉冲能量和确保样品表面无损时达到相同的结果。值得提出的是１９８０、１９８２年Ｓｃｒｕｂｙ，Ｄｅｗｈｕｒｓｔ等“”人对激光在金属中产生超声波形进行了定量的测量，并利用面内正交力偶模型解释了热弹条件下激发现象，用垂直力模型解释了融蚀条件下的激发现象，为激光超声的应用技术打下了基础。１９８４年Ｒｏｓｅ“３１运用表面点源表象，求得在热弹条件下，聚焦激光束在金属表面激发超声波的解析表达式，与前人的实验结果除了在纵波到达处实验上出现的微小前驱小波（Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ）有差别外，可以定量地符合。可以说这时，已经奠定了热弹条件下激发弹性波的实验和理论基础。
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